基于注漿加固工況的隧道下穿既有通道相互力學(xué)作用分析

張俊偉

（中鐵十五局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司，河南洛陽(yáng)471000）

1 引言

隨著城市軌道交通的蓬勃發(fā)展，地鐵工程的建設(shè)突飛猛進(jìn)。在地鐵的建設(shè)過(guò)程中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)下穿建筑物或構(gòu)筑物的情況，其中隧道下穿地下通道就是地鐵設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的一個(gè)難點(diǎn)[1-3]。隧道的盾構(gòu)掘進(jìn)會(huì)引起地下通道主體結(jié)構(gòu)的傾斜變形或扭轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致其主體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，危害地下通道的使用和運(yùn)營(yíng)，因此，開(kāi)展相關(guān)影響研究成為該類(lèi)工程安全施工的重要前提，并且具有一定的學(xué)術(shù)價(jià)值。

隧道開(kāi)挖首先會(huì)引起周?chē)貙拥臄_動(dòng)，傳遞給地下通道使其發(fā)生應(yīng)力場(chǎng)與位移場(chǎng)的變化進(jìn)而可能引發(fā)一系列的風(fēng)險(xiǎn)事故[4，5]。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者利用理論計(jì)算、模型試驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)和數(shù)值模擬等手段[6-8]對(duì)盾構(gòu)施工引起的地層擾動(dòng)規(guī)律開(kāi)展了相關(guān)研究，并且利用上述方法對(duì)各類(lèi)隧道下穿工程也開(kāi)展了相關(guān)的規(guī)律分析并取得了一系列成果[9，10]，但在相關(guān)的穿越工程研究中，常常只關(guān)注地下通道的穩(wěn)定性而忽略其與隧道間的相互作用規(guī)律，并且不考慮注漿加固的影響。因此，本文以徐州軌道交通某盾構(gòu)施工區(qū)間下穿地下通道工程為依托背景，通過(guò)開(kāi)展穿越段隧道開(kāi)挖施工的數(shù)值計(jì)算，揭示注漿加固工況下隧道下穿既有通道的相互力學(xué)作用機(jī)制，分析結(jié)果對(duì)類(lèi)似工程提供了較好的設(shè)計(jì)參考。

2 工程概況及數(shù)值建模

2.1 工程概況

徐州地鐵2號(hào)線某盾構(gòu)施工區(qū)間，近似平行下穿一處既有地下通道。隧道埋深20.95 m，外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，管片環(huán)寬1.2 m。地道結(jié)構(gòu)尺寸約為19 m×5 m，兩側(cè)布置有圍護(hù)樁進(jìn)行支護(hù)，主體結(jié)構(gòu)底部另設(shè)有直徑1 000 mm的抗拔樁。由于穿越段隧道在施工過(guò)程中存在諸多風(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)該穿越段隧道利用管片增設(shè)的注漿孔進(jìn)行深孔注漿，注漿孔直徑50 mm，注漿漿液選擇雙液漿，水泥等級(jí)42.5。注漿加固范圍為隧道上部270°，注漿深度為2 m。

2.2 數(shù)值模型的建立

采用有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取整體模型尺寸為80 m×50 m×48 m，地層、圍護(hù)樁、隧道管片和注漿等代層均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。在對(duì)土體進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，圍護(hù)樁、管片和注漿等代層采用彈性本構(gòu)模型。用等代層來(lái)模擬管片外側(cè)的注漿層和沿隧道徑向漿液滲透的巖土體，并通過(guò)賦予等代層彈性模量、泊松比等參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)注漿影響區(qū)域的模擬。限制前后左右4側(cè)的法向位移和底部邊界3個(gè)方向的位移，上表面取至地表，設(shè)置為自由表面。其中，地下通道主體結(jié)構(gòu)、圍護(hù)樁、隧道管片和注漿等代層模型如圖1所示（為方便后續(xù)研究，已在隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記）。

圖1 地道與隧道主體結(jié)構(gòu)圖

2.3 計(jì)算參數(shù)選擇

根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果，地層自上而下主要可劃分為雜填土、黏土和中風(fēng)化石灰?guī)r。根據(jù)土體和結(jié)構(gòu)體所選的本構(gòu)模型進(jìn)行賦值，各土層的主要物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 地層計(jì)算參數(shù)

各支護(hù)和主體結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)詳見(jiàn)表2。

表2 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

3 新建注漿加固隧道與既有地道的相互作用分析

3.1 盾構(gòu)隧道掘進(jìn)引起地道主體結(jié)構(gòu)的變形分析

在本次算例的開(kāi)挖中，隧道開(kāi)挖后管片立即布置，隨后通過(guò)賦予等代層彈性本構(gòu)模型及參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)壁后的注漿加固。左右線隧道開(kāi)挖并注漿完成后的地道主體結(jié)構(gòu)變形云圖如圖2所示（顯示云圖進(jìn)行了放大處理）。

圖2 隧道注漿加固開(kāi)挖完成后的地下通道變形云圖

分析可知，由于新建隧道的開(kāi)挖擾動(dòng)影響，地下通道發(fā)生了一定的變形與沉降，主體結(jié)構(gòu)上側(cè)整體沉降明顯大于下側(cè)，且最大沉降集中在中隔墻的正上方，向兩側(cè)方向沉降逐漸減小，主體結(jié)構(gòu)兩側(cè)受到擾動(dòng)影響向內(nèi)發(fā)生了彎曲，彎曲值最大處發(fā)生在沿兩側(cè)結(jié)構(gòu)豎直方向的中部位置。由于主體結(jié)構(gòu)的不均勻沉降，其上方結(jié)構(gòu)也發(fā)生了向內(nèi)的彎曲，以距離中隔墻越近處彎曲值越大，通道左右兩側(cè)變形近似呈對(duì)稱性分布，主體結(jié)構(gòu)中隔墻上側(cè)由于擠壓稍微發(fā)生了鼓起。主體結(jié)構(gòu)最大沉降量為9.07 mm，在主體結(jié)構(gòu)偏下部變形值急劇減小，最小變形發(fā)生在主體結(jié)構(gòu)底部，其沉降值為0.41 mm，沉降和變形在規(guī)定范圍內(nèi)，即本工程盾構(gòu)隧道在注漿加固條件下開(kāi)挖引起上方地下通道產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)在可控范圍內(nèi)，符合地下通道安全使用和運(yùn)營(yíng)的要求。

3.2 既有地下通道對(duì)新建注漿加固隧道的影響分析

盾構(gòu)隧道的掘進(jìn)會(huì)引起上方既有地下通道產(chǎn)生變形和受力變化，同時(shí)，土層中既有地下通道的存在也會(huì)對(duì)隧道盾構(gòu)管片的受力和位移產(chǎn)生影響。為更加清晰地研究這種影響規(guī)律，再次進(jìn)行無(wú)地下通道存在工況下新建注漿加固隧道的開(kāi)挖模擬。得出2種工況下隧道開(kāi)挖后的豎向和水平位移情況見(jiàn)表3（表3中豎向位移以上為正，水平位移以右為正）。

表3 隧道開(kāi)挖完成后管片位移表

由表3對(duì)比分析可知，在有地下通道存在的情況下，雙線隧道開(kāi)挖并壁后注漿完成以后，盾構(gòu)管片四周產(chǎn)生了不同程度的變形，隧道拱頂由于承受了上方地層傳遞的荷載發(fā)生了向下的豎向位移，隧道拱底由于開(kāi)挖卸荷作用發(fā)生了向上的隆起，而隧道左右?guī)蛥^(qū)域管片由于承受了上部管片和巖體傳導(dǎo)的應(yīng)力，發(fā)生了背離開(kāi)挖面的擠壓變形。在無(wú)地下通道存在的情況下，隧道的豎向位移和水平位移產(chǎn)生了不同程度的減小，其對(duì)應(yīng)最大豎向位移的1號(hào)和10號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移分別減少了15.5%和13.59%，對(duì)應(yīng)最大水平位移的6號(hào)和13號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移分別減少了16.73%和16.90%。說(shuō)明在存在既有地下通道的情況下，隧道上方地層的應(yīng)力傳遞受到了影響，隧道的變形呈現(xiàn)了增大的趨勢(shì)。因此，在盾構(gòu)隧道掘進(jìn)經(jīng)過(guò)既有地下通道時(shí)，需考慮地下通道給隧道帶來(lái)的受力和變形的影響，增大監(jiān)測(cè)頻率，并注意及時(shí)采取對(duì)管片的防護(hù)措施，本節(jié)模擬的2種工況下的隧道管片并沒(méi)有較大的變形是由于在盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過(guò)程中及時(shí)采取了壁后注漿的控制措施，并且注漿厚度較大，有效控制了隧道的各向位移，在相似工程中也可以采取壁后注漿加固的方法來(lái)減少穿越的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 既有地下通道存在條件下注漿加固對(duì)隧道開(kāi)挖的影響分析

基于3.2節(jié)的2次模擬，再次對(duì)2種工況下隧道的變形進(jìn)行分析，研究在既有地下通道存在的條件下注漿加固對(duì)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)的影響規(guī)律。繪制出2種工況下左右線隧道開(kāi)挖完畢后的隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向和水平方向位移如圖3所示。

圖3 2種工況下隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移圖

由圖3分析可知，注漿加固對(duì)隧道變形的控制效果比較明顯，工況一由于在開(kāi)挖過(guò)程中沒(méi)有采取注漿措施發(fā)生在拱頂?shù)淖畲蟪两狄呀?jīng)達(dá)到了12.16 mm，而工況二的最大沉降為7.48 mm，相比之下減少了38.49%，工況一隧道拱底的最大隆起值為8.2 mm，工況二相對(duì)應(yīng)的值為5.03 mm，相比之下減少了38.66%。同時(shí)從圖3也可以得到采取注漿加固措施使隧道的水平位移也得到了較好的控制，工況一最大水平位移值為7.28 mm，發(fā)生在隧道左幫，工況二對(duì)應(yīng)的位移值則為5.08 mm，相比減少了30.2%，工況二的豎向和水平位移曲線均包含于工況一的位移曲線與坐標(biāo)軸圍成的區(qū)域內(nèi)，說(shuō)明在隧道掘進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行壁后注漿加固能夠在較大程度上減少隧道的各向變形，使隧道的穩(wěn)定性得到增強(qiáng)，減小施工風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 隧道下穿既有地下通道支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力分析

盾構(gòu)隧道掘進(jìn)不僅會(huì)對(duì)地下通道的位移場(chǎng)產(chǎn)生影響，同時(shí)也會(huì)使其主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，根據(jù)模擬結(jié)果繪制出施工完成后支護(hù)結(jié)構(gòu)與地下通道的豎向應(yīng)力場(chǎng)等值線如圖4所示。

圖4 隧道開(kāi)挖后整體應(yīng)力場(chǎng)云圖（單位：MPa）

由圖4可知，在隧道施工完成后，應(yīng)力集中區(qū)域主要分布在其主體結(jié)構(gòu)的拐角處，其中，中隔墻上拐角與下拐角處應(yīng)力集中情況最為明顯，在主體結(jié)構(gòu)的兩側(cè)上方局部區(qū)域受力呈“耳朵狀”分布。距隧道較近處巖土體應(yīng)力分布受開(kāi)挖影響較大，在靠近隧道下方區(qū)域由于承受了管片傳導(dǎo)的巖土體應(yīng)力導(dǎo)致此處豎向應(yīng)力較大。因此，在隧道施工過(guò)程中需要注意上述地下通道應(yīng)力較為集中區(qū)域與隧道下方區(qū)域受力情況，以保證穿越工程的安全進(jìn)行。

4 結(jié)論

1）開(kāi)展了注漿加固隧道下穿既有地下通道的相互力學(xué)分析，揭示了位于下穿位置的盾構(gòu)隧道掘進(jìn)引起的地道主體結(jié)構(gòu)變形情況，分析在既有地下通道存在的情況下注漿加固對(duì)隧道變形的控制數(shù)值，可為類(lèi)似工程提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

2）在盾構(gòu)隧道掘進(jìn)的影響下，主體結(jié)構(gòu)上側(cè)發(fā)生了較大的變形，峰值集中在主體結(jié)構(gòu)的正上方，向兩側(cè)方向減小，主體兩側(cè)受擾動(dòng)影響向內(nèi)發(fā)生彎曲，峰值位于沿兩側(cè)結(jié)構(gòu)豎直方向的中部位置。隧道開(kāi)挖會(huì)引起周?chē)h(huán)境的應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，使地下通道主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的集中應(yīng)力。既有地下通道存在也會(huì)影響隧道的開(kāi)挖效應(yīng)，增加隧道的變形，同時(shí)采取壁后注漿加固能很好地控制隧道的各向位移，增加安全性。

3）穿越過(guò)程因?yàn)榫哂斜旧砜臻g結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，施工前應(yīng)做好詳盡的勘探，準(zhǔn)確揭示相關(guān)過(guò)程巖土參數(shù)。在盾構(gòu)施工經(jīng)過(guò)既有地下通道時(shí)，需對(duì)相互作用效應(yīng)進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)論證，做好防控措施，以防止工程結(jié)構(gòu)變形過(guò)大而引發(fā)工程事故。